硬盤驅動器作為當前大容量數據存儲的主要承載體，是一種基于磁存儲技術的電子設備。隨著物聯網以及云計算的快速發展，傳統的硬盤驅動器已經無法滿足日益增長的存儲需求。因此，近十年來，各大廠商致力于研發新型磁存儲技術，并于近期推出了新的產品。文章將從傳統硬盤驅動器的結構出發，具體分析傳統磁存儲面臨的主要瓶頸，詳細介紹當前最為矚目的能量輔助磁記錄技術，并對大容量存儲的未來進行展望。關鍵詞 硬盤驅動器，大容量存儲，能量輔助磁記錄，微波輔助磁記錄，熱輔助磁記錄基于磁存儲技術的硬盤驅動器(下文簡稱硬盤)是當下最主要的數據承載體。圖1(a)展示了一個完整硬盤的主要結構，包含磁盤介質、磁頭、主軸馬達和音圈馬達。磁盤介質的核心是磁性材料，用于儲存數字信息。如圖1(b)所示，每一個存儲單元包含一定數目的磁性顆粒，它們的磁矩方向代表著數字信息中的“1”和“0”；磁頭則是非常微小的部分，執行數據的讀寫。此外，硬盤的內部有兩個電機，一個是主軸電機，另一個是音圈馬達。主軸電機可以驅動盤片穩定旋轉，使磁頭受到穩定的空氣浮力，懸浮于硬盤介質上方。音圈馬達則主要負責磁頭臂的移動，硬盤在工作時靠伺服電機來控制音圈馬達的動作，使磁頭臂準確尋跡。圖1 (a)硬盤結構；(b)存儲介質的微觀圖像，紅色和藍色區域代表磁矩指向不同的存儲單元[1]1956年，IBM推出了歷史上第一個硬盤產品IBM350 Disk Storage，是現代硬盤的雛形。它有相當于兩個冰箱的體積，重量高達1噸，儲存容量只有4.4MB。IBM350 Disk Storage配備了50枚直徑24英寸(約61 cm)的大尺寸鋁合金盤片用于存儲信息，盤片表面涂有磁性材料，硬盤工作時盤片高速旋轉，磁頭就能讀出磁信號的變化[2]。經過近60年的發展，硬盤的體積不斷縮小，同時存儲容量快速提升。2020年，全球硬盤廠商交付了2.59億個硬盤設備，總出貨容量已經達到了1 ZB[3]。然而，傳統硬盤的存儲密度近年來已經接近極限(約1 Tb/in2，in表示英寸)。因此，以西部數據和希捷為代表的各硬盤廠商紛紛投入巨資研發新型存儲技術，主要包括疊瓦式磁記錄(shringle magnetic recording，SMR)、二維磁記錄(two-dimensional magnetic recording，TDMR)、點陣式磁記錄(bit-patterned magnetic recording，BPMR)以及能量輔助磁記錄(energy-assisted magnetic recording)。其中，疊瓦式磁記錄和點陣式磁記錄分別通過磁道重疊及存儲單元隔離的方法對盤片存儲信息的方式進行優化。二維磁記錄則通過在磁頭中加入多個磁信號讀取元件(磁阻器件)，詳細分析磁道間的信號，從而當磁道寬度進一步變窄后硬盤仍可以穩定地讀取存儲的數據。相比傳統的硬盤存儲架構，這三種新型磁記錄技術對整個硬盤驅動器制造工藝的改變較小，易于應用，但是對于磁記錄密度提升的幅度有限。能量輔助磁記錄則是通過向存儲介質注入能量輔助磁場完成信息的寫入，磁頭構造相比傳統硬盤有較大差異，有望將硬盤存儲面密度提升一個數量級，因此備受矚目。接下來我們首先從傳統硬盤的結構出發，闡述硬盤發展面臨的瓶頸。之后詳細介紹當前最為矚目的兩種能量輔助磁記錄技術，即微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording)以及熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording)，并對這兩種存儲技術的發展前景進行討論。硬盤的核心技術在于磁頭和存儲介質。圖2展示了傳統硬盤中磁頭和磁盤介質的詳細結構。硬盤磁頭主要包含磁寫頭以及磁讀頭兩個部分，磁寫頭由鐵磁材料和纏繞其上的電流線圈組成。執行寫操作時，通過改變線圈中通入電流的方向可以改變寫入極產生的磁場方向，利用這一磁場控制磁盤介質上存儲單元的磁化方向，實現數據寫入。磁讀頭的核心則是基于巨磁阻(giant magnetoresistance)或隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance)效應的磁阻傳感器(reader sensor)。在盤片轉動時，不同指向的磁存儲單元會產生不同方向的磁場，改變磁阻器件的電阻，進而讀出數據。磁盤介質由上至下主要包含4層，分別是潤滑層、保護層、存儲層以及襯底[5]。潤滑層為全氟聚醚(perfluoropolyethers，縮寫為PFPE)，是較為常見的機械元件潤滑劑，用于抵御腐蝕以及減小機械磨損，厚度大約為1—2 nm。潤滑層下面是保護層，是類金剛石材料，最常用的是氮化碳，具有極高的硬度和優良的耐磨性。數據信息的存儲層則由具有極高磁各向異性的材料構成。硬盤誕生之初采用的是水平磁記錄模式，即存儲介質具有面內磁各向異性。然而，受超順磁效應的影響，存儲單元橫向尺寸的減小會嚴重影響磁矩的穩定性。因此，目前硬盤廣泛采用垂直磁記錄模式，存儲介質具有垂直磁各向異性，比如CoPt以及FePt合金。圖3 目前磁記錄技術面臨的瓶頸 (a)寫入信息的信噪比(SNR)正比于每比特介質內的存儲顆粒數量N，即SNR~N；(b)存儲顆粒的熱穩定性和體積成正比；(c)磁頭的寫入能力最大在2.5 T左右[5]
隨著硬盤磁存儲密度達到1 Tb/in2，垂直磁記錄面臨著一些難以解決的困境。圖3(a)是磁記錄介質的微觀圖片。在硬盤中，一定數目的磁性顆粒記載了一個比特位的信息。如果需要提升存儲密度，那么每一個比特位所占有的面積就會縮小，進而所包含的磁性顆粒數量也會減小。而研究表明，硬盤信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)的大小同每比特位所擁有的介質顆粒數目成正比[5]。因此，若要在提升硬盤存儲密度的同時保持信噪比不變，介質顆粒的尺寸就必須縮小。另一方面，數據記錄的穩定性是存儲器重要的性能指標之一。圖3(b)展示了磁矩處于不同角度時磁介質顆粒能量的大小。可以看到，磁矩向上和磁矩向下兩個狀態之間存在著明顯的能量壁壘Eb，其大小等于磁各向異性常數Ku和介質顆粒體積V的乘積。因此，介質顆粒體積的減小勢必會使能量勢壘Eb降低，于是當施加一定強度外磁場或熱擾動時，磁矩的方向就會更容易地發生改變，嚴重影響硬盤存儲數據的穩定性，除非選用具有較高Ku的存儲介質。不幸的是，具有較高Ku的材料同時具有較大的矯頑場，這意味著我們必須施加更大的磁場才能使磁性顆粒的磁矩翻轉。受限于較小的物理尺寸，當前的磁頭都無法產生足夠強的磁場，如圖3(c)所示。綜上所述，隨著硬盤存儲密度的提升，其各方面參數已經越來越接近理論極限。因此，各大廠商一直在尋求新的提升硬盤存儲密度的方法，接下來本文將詳細介紹兩種新型大容量存儲技術：微波輔助磁記錄和熱輔助磁記錄。微波輔助磁記錄技術的核心是通過極高頻率的交變磁場(1—100 GHz)向存儲單元注入能量。若磁場變化頻率與存儲介質本征共振頻率相近，則存儲介質可以吸收絕大部分交變磁場能。當存儲單元的能量升高后，磁矩處于一個亞穩定態，較小的外加磁場即可完全翻轉磁矩。這種現象稱為微波輔助磁翻轉效應(microwave-assisted switching，MAS)[6]。
2003年，Thirion等人在六角密堆(hcp)結構的Co顆粒中發現了微波輔助磁翻轉現象[7]。如圖4所示，Co顆粒的直徑約為20 nm，附著于鈮薄膜制成的約瑟夫森微橋結上。約瑟夫森微橋結是超導量子干涉儀(SQUID)中的重要器件，用來探測磁性的微弱變化。如果在其兩端施加交變電流δIRF，微橋結附近會產生微波磁場δHRF。實驗結果表明，微波磁場的存在極大地降低了Co顆粒的臨界磁翻轉場。圖4 微波輔助磁翻轉效應首次在Co顆粒上被發現 (a)Co顆粒附著于約瑟夫森微橋結上，約瑟夫森微橋結兩端施加交變電流，進而產生微波磁場；(b)微波磁場的存在有效降低了Co顆粒的臨界翻轉場[7]
隨后，類似的現象在其他的軟磁材料比如NiFe及FeCo合金薄膜中被發現，證實了微波輔助磁翻轉效應的普遍性[8—10]。2009年Nozaki等人利用鐵磁共振手段在具有垂直磁各向異性的Co/Pd多層膜中發現水平方向的微波磁場可以促進多疇態的形成，進而輔助磁翻轉[11]。如前所述，為了實現較高的存儲密度，硬盤存儲介質為具有垂直磁各向異性的材料，因此，Nozaki等人的研究結果直接推動了微波輔助磁翻轉效應在存儲領域的應用進程。圖5 微波輔助磁翻轉效應可以在具有垂直磁各向異性的納米結構中實現 (a)器件結構示意圖，其中Co/Pt納米柱具有垂直磁各向異性，Cu條帶用來施加微波磁場，霍爾條(電極)用于進行AHE測試；(b)不同電流頻率下測得的器件的AHE信號[12]
2012年，Okamoto等人在納米結構中觀測到了微波輔助磁翻轉現象，圖5(a)為測試器件的結構示意圖[12]。Ta/Pt/Co/Pt薄膜生長于石英玻璃襯底上，經過一系列微納加工流程，Co/Pt被刻蝕成納米尺寸的圓柱，Ta/Pt層則被刻蝕為霍爾十字條，用于反常霍爾效應(anomalous Hall effect，AHE)測試。反常霍爾效應測試是自旋電子學中一種常見的材料表征手段，由于材料的磁性狀態和反常霍爾電壓有著緊密的關聯，因此可以通過提取器件的霍爾電壓觀測材料磁性的變化。為了施加微波磁場，他們又先后沉積了SiO2絕緣層以及寬度為2 μm的Cu條帶，通過交變信號發生器向Cu條帶注入一系列電流脈沖，使得Cu條帶附近產生極化方向和條帶垂直的線極化微波磁場。圖5(b)展示了器件在不同頻率微波磁場下的反常霍爾信號，可以看到隨著微波磁場頻率的增加，器件的臨界翻轉磁場不斷地減小，證實微波磁場對于納米器件的磁翻轉同樣具有輔助作用。利用微波輔助磁翻轉效應可以有效降低磁性材料的臨界翻轉場，這為硬盤的進一步擴容提供了希望，但是在當前高密度存儲硬盤中磁頭的尺寸非常小，如何在其中加入高頻微波源成為一個棘手的問題。2003年，Kiselev等人首次在納米尺度的磁自旋閥中觀測到高頻微波發射的現象[13]。此類器件被稱為自旋納米振蕩器，迅速引起了產業界的廣泛關注。自旋納米振蕩器的核心為納米磁性多層膜，主要包括磁性固定層、非磁間隔層以及磁性自由層。當一定大小的電流注入到器件中時，磁性固定層會先將其極化為自旋流，進而對磁性自由層的磁矩施加自旋轉移矩。與此同時，自由層磁矩還受到阻尼矩的作用，當自旋轉移矩完全抵消阻尼矩時，磁矩的動力學過程則主要由進動矩決定，會發生穩定進動，并通過巨磁阻或隧穿磁阻等磁阻效應引起器件電阻發生周期性變化，最終產生微波電壓信號。和傳統的微波器件相比，自旋納米振蕩器具有體積小、易集成以及寬頻可調等顯著優勢。在無線通訊領域有著顯著的潛力。另一方面，在自旋納米振蕩器磁自由層磁矩高頻進動的同時，圍繞器件周圍會產生高頻的圓極化微波磁場。受此啟發，2007年朱建剛等人首次提出將自旋納米振蕩器和硬盤磁頭相結合的構想[14]。實驗表明，自旋納米振蕩器產生的微波磁場可以顯著降低磁介質的臨界翻轉場，使得將具有更高Ku的磁性材料作為硬盤存儲介質成為可能，可以大幅度提升硬盤存儲密度。此外，通過理論仿真，他們還發現這一架構將可以顯著減小傳統硬盤磁記錄過程中產生的邊界彎曲現象，如圖6所示。這有助于減小磁道寬度，提升硬盤存儲的軌道密度。圖6 (a)無微波磁場輔助下的磁記錄圖像；(b)微波磁場輔助下的磁記錄圖像[14]
第一臺應用微波輔助磁翻轉效應的磁記錄樣機于2011年問世[5]。在這一樣機中，磁頭與自旋轉移納米振蕩器相融合，自旋轉移納米振蕩器用于產生高頻微波磁場。利用這一系統，他們實現了高密度磁記錄，軌道寬度和自旋納米振蕩器的寬度接近，只有60 nm。成功證實了將自旋納米振蕩器用于硬盤磁記錄的可行性。目前，微波輔助磁記錄系統多采用垂直型自旋轉移納米振蕩器作為微波磁場的發生源[4]。圖7展示了嵌入自旋轉移納米振蕩器的磁寫頭結構，其中，自旋轉移納米振蕩器位于寫入極與尾部屏蔽體之間，包含電流極化參考層、非磁間隔層、微波場發生層(field generation layer，FGL)以及與FGL相耦合的垂直磁層。微波場發生層即傳統自旋納米振蕩器中的磁自由層。為了獲得較大的微波磁場，微波場發生層的厚度較厚，一般為10—15 nm。此外，不同于傳統的自旋納米振蕩器，這一膜層體系中還包含另一垂直磁層，研究表明，這一垂直磁層的加入可以顯著降低微波磁場的噪音，提高微波磁場的產生效率[5]。圖7 微波輔助磁記錄系統的結構[4]
2017年，存儲行業巨頭西部數據公司宣布將微波輔助磁翻轉效應應用于下一代大容量存儲技術。此外，西部數據還首先提出在硬盤中填充氦氣以降低內部的氣體阻力，磁盤的轉軸和磁頭臂所受到的干擾也更少，有助于提升讀寫穩定性。通過不斷的技術迭代，2019年西部數據正式推出了容量高達18 TB的商用硬盤產品DC H550，并預計于2025年將這一數值提升到40 TB。基于自旋納米振蕩器的微波輔助磁記錄技術被證明了其可行性，引起研究學者的廣泛關注。2017年Bai等人通過微磁仿真手段研究了如何將當前非常熱門的分層式存儲介質應用于微波輔助磁記錄[15]。如圖8(a)所示，在傳統的分層式存儲介質中，每一個存儲單元在垂直方向被分割為幾個部分，并且這幾個部分的垂直磁各向異性由上至下逐漸增加。因此，上層的磁介質非常容易被翻轉，而下層的磁介質則可以通過交換耦合作用被上層的磁介質翻轉，這樣的結構有效降低了存儲單元的臨界翻轉場，提升了磁頭的寫入能力。然而在微波輔助磁記錄系統中，自旋納米振蕩器的體積非常小，其產生的微波磁場會在垂直于介質表面的方向迅速衰減。基于此，Bai等人設計了一種“Notch”型分層式存儲介質。在這一方案中存儲介質分為四層，前三層(由上至下)的垂直磁各向異性依次降低，第四層具有最高的垂直磁各向異性。這樣的磁介質結構有效利用了微波磁場的梯度特性，前三層存儲介質均可以在微波磁場的輔助下翻轉，第四層則通過交換耦合作用被翻轉。此外，仿真結果還表明，將這種結構的分層式存儲介質用于微波輔助磁記錄系統中可以顯著提升磁記錄的信噪比及磁道密度。圖8 (a)分層式存儲介質[15]；(b)3D微波輔助磁記錄的實現原理，其中HF是高頻微波磁場，STO是自旋納米振蕩器，RL是存儲層，IL是間隔層[16]；(c)基于CoFeB/MgO具有復合自由層的磁性隧道結結構[17]
為了進一步提升微波輔助磁記錄系統的存儲密度，2019年Chan等人提出了3D-MAMR的構想[16]。如圖8(b)所示，存儲單元上下堆疊且具有不同大小的垂直磁各向異性。由于微波磁場的頻率需要和存儲介質的本征鐵磁共振(ferromagnetic resonance，FMR)頻率相匹配才能誘導磁矩發生共振，減小臨界翻轉磁場。因此，改變微波磁場的頻率可以對存儲單元實現選擇性的翻轉。自旋納米振蕩器產生微波磁場的頻率可以通過調節注入電流的大小改變。除了存儲介質的結構設計，優化自旋納米振蕩器的微波性質同樣非常重要。如前所述，為了保證存儲介質的熱穩定性，隨著存儲密度的提高，廠商不得不采用具有更高垂直磁各向異性的材料。在微波輔助磁記錄技術中，這意味著自旋納米振蕩器必須輸出更高頻率的微波信號。根據Kittel公式[13]，自旋納米振蕩器微波信號的頻率也即自由層磁矩進動的頻率取決于磁有效場的大小，因此增加外磁場的強度是提升微波磁場頻率最直接的方法[5]。然而受到體積的限制，磁頭可以施加的磁場被局限在一定的范圍內。2018年，北京航空航天大學王夢醒等人提出一種具有復合自由層的垂直磁隧道結結構[17]。如圖8(c)所示，磁性自由層中插有一原子層厚度的W，雙W/CoFeB以及雙CoFeB/MgO界面為器件帶來了非常強的界面垂直磁各向異性。這一結構有望用于實現高頻率自旋納米振蕩器，進一步提升微波輔助磁記錄系統的存儲密度。熱輔助磁記錄是另外一種能量輔助磁記錄模式。不同于微波輔助磁記錄技術，這里的能量來源于激光。事實上利用激光完成或輔助磁場存儲信息并不是一個新鮮的事物。20世紀70年代，荷蘭飛利浦(Philips)公司率先開展將激光用于信息存儲的研究，1979年成功推出首個相關產品，也就是我們所熟知的光盤(optical discs)[18]。然而，最初的光盤是由非磁性介質構成的，經激光照射后會形成“凹坑”，光盤表面事實上是凹凸不平的，代表所存儲的數字信息。因此，在光盤中信息的寫入完全由激光完成。1983年，Immink和Braat展示了一種新型的記錄模式，他們在光盤的基片上鍍了一層磁性材料，形成所謂的“磁光盤”(magneto-optical discs)[19]。在寫入信息時，激光和磁場共同作用，完成信息的寫入，這事實上就是熱輔助磁記錄的雛形。然而，無論是普通光盤或是磁光光盤，都只經歷了短暫的輝煌。受到衍射的限制，激光光束最小只能聚集于幾百納米的范圍，光盤的容量受到了很大的制約。而與此同時，在巨磁阻效應以及隧道磁阻效應的推動下，硬盤的存儲密度在飛速提升，因此光盤逐漸淡出了人們的視野。2012年，希捷公司將沉寂多年的熱輔助磁記錄推到了聚光燈下[20]。特殊的是，希捷提出將熱輔助磁記錄技術和硬盤相結合，同時利用表面等離子體共振效應(surface plasmon resonance，SPR)將激光能量匯聚于納米尺度，有望實現超高密度數據存儲。圖9 (a)熱輔助磁記錄的基本原理；(b)表面等離子體共振效應[21]如圖9(a)所示，在熱輔助磁記錄過程中，激光脈沖將具有高垂直磁各向異性的存儲單元加熱至居里溫度附近(通常為400—600℃)，此時磁矩能量較高，磁矯頑場也即臨界磁翻轉場非常低，磁矩易于翻轉。與此同時，激光未照射區域的存儲單元矯頑力仍然比較大，寫入磁場不會對其造成影響。之后，存儲介質的溫度迅速降低，磁矩指向趨于穩定，寫入的數據信息就被保存下來[21]。通過這一手段，較小的外加磁場即可翻轉具有較高垂直磁各向異性的存儲單元，有助于實現更高的存儲密度。另一方面，表面等離子體共振效應是指在入射光頻率與金屬表面自由電子的振動頻率相匹配時，自由電子產生相干振蕩進而產生表面等離子體的一種現象，如圖9(b)所示。利用表面等離子體共振效應，激光能量可以轉換為熱能并且根據金屬材料的尺寸加熱不同大小的區域。4.2 基于等離子體共振效應的熱輔助磁記錄系統結構相比微波輔助磁記錄，希捷提出的熱輔助磁記錄和傳統磁記錄之間有著更大的差異。應用熱輔助磁記錄技術的硬盤驅動器引入了激光傳導系統(laser delivery system，LDS)，主要包含激光二極管、光波導以及近場換能器，其結構如圖10所示。在寫入數據的過程中激光二極管首先發射出寬度在百皮秒左右，尺寸在微米級別的激光脈沖，之后通過光波導匯聚于近場換能器上，利用表面等離子體共振效應激發近場換能器表面的電子產生共振。最終這一能量被局限于直徑約50 nm的空間范圍內，加熱待寫入信息的比特位。之后，磁頭產生磁場脈沖翻轉磁矩，同時寫入區域的介質溫度逐漸下降，磁矩趨于穩定。這一過程雖然復雜，但希捷已經成功將其壓縮在1 ns以內[4]。
圖10 基于等離子體共振效應的熱輔助磁記錄系統結構[4]熱輔助磁記錄系統對激光光源有著很高的要求：首先，為了實現快速的信息寫入，激光光源需要輸出盡量窄的激光脈沖；其次，激光脈沖必須和磁場脈沖保持一定的間隔才能實現穩定的信息寫入，因此激光脈沖頻率需要具有極高的穩定性。激光光源可按工作物質分為固體激光源(晶體和釹玻璃)、氣體激光源(包括原子、離子、分子、準分子)、液體激光源(包括有機染料、無機液體、螯合物)和半導體激光源4種類型。其中，半導體激光源體積小、壽命長且易于集成，因此是熱輔助磁記錄系統中理想的激光發生器。半導體激光源又有多種類型，包括雙異質結激光器、分布反饋激光器以及大光腔激光器等，這里不一一介紹。熱輔助磁記錄系統中主要使用增益開關式激光二極管(gain switched diode，GSD)。GSD可以產生頻率穩定的連續脈沖，配合鎖模技術最窄脈沖寬度可以達到30 ps左右[22]。如上所述，光盤的沒落是因為傳統的利用透鏡匯聚激光的手段只能將光斑縮小至衍射極限附近(分辨率大約為半個波長)。如藍光存儲采用405 nm的激光，意味著其最小光斑尺寸在百納米以上，而如果要在硬盤中實現Tb/in2以上的存儲面密度，每比特存儲單元的特征尺寸要小于25 nm。因此，激光光斑也必須被局限在這樣狹小的空間內。為了將激光脈沖的能量精準傳導至待寫入的存儲單元中，希捷提出了結合光波導和近場換能器，對激光能量進行兩次匯聚的方案[[4]]。光波導用于將激光光束進行初步縮小，這里通常使用一種平面波導，即固體浸沒透鏡(planar solid immersion mirror，PSIM)。固體浸沒透鏡的結構如圖11所示，包含氧化鉭核心層，上下覆蓋氧化鋁包層，整體被刻蝕成拋物線的形狀。由于氧化鉭的折射率高于氧化鋁，所以當激光入射至固體浸沒透鏡側壁時，會發生全反射，最終匯聚于固體浸沒透鏡的尖端處。圖11 固體浸沒透鏡的結構[23]
受表面等離子體共振效應的啟發，希捷在熱輔助磁記錄系統中加入了近場換能器(near field transducer，NFT)。近場換能器通常為金、銀、銅、鋁等材料制成的納米金屬薄片，根據其形狀主要分為兩類：一類具有孔洞的外形特征，另一類則具有天線的外形特征。1991年，Betzig等人[24]首先將具有圓形孔洞的近場換能器應用于磁記錄中，他們將光纖的末端制成圓錐狀，出光口直徑約為100 nm，周圍覆蓋有鋁薄膜。利用波長515 nm、功率約6 mW的激光，他們成功翻轉了直徑約60 nm的磁疇，存儲密度約45 Gb/in2。然而，由于這一結構的近場換能器耦合效率較低，實際數據寫入速率僅為10 kHz，且激光傳輸至尖端的能量小于50 nW。為了提升近場換能器的耦合效率，研究者們隨后提出了各種不同形狀的近場換能器，比如C型、L型以及三角形等近場換能器[25—28]。此外，Grober等人[29]在1997年提出了天線型近場換能器的概念，同樣引發了一系列關于天線形狀對于激光耦合效率的研究[30—32]。各種類型換能器的形狀如圖12所示。圖12 (a)孔洞型近場換能器；(b)天線型近場換能器[12]
如前所述，和傳統磁記錄相比，熱輔助磁記錄系統中引入了激光傳導系統，磁頭結構非常復雜。圍繞如何優化其磁頭結構，實現更高的激光傳導效率，人們開展了一系列的研究。2018年，Chow等人提出了一種新的磁頭設計，這類磁頭由對稱的兩個寫入極組成，如圖13所示[33]。更為特殊的是，兩個寫入極之間存在納米尺度的磁縫隙，磁縫隙內填充了低指數的介電材料，被稱為低指數率介質分離器(low-index dielectric separator，LIS)。此外，近場換能器也分為對稱的兩個部分，中間形成約25 nm的光學縫隙，可以有效地將激光脈沖能量匯聚在納米尺度區域內。這一分體式的磁頭設計有利于保持磁寫入場的橫向梯度和幅值，有助于實現更高的磁道密度。此外，低指數介質分離器的引入還有效減少了由于近場換能器和寫入極靠近帶來的光學損耗。圖13 分體式磁頭設計[33]
近場換能器作為存儲介質的直接熱源對于熱輔助磁記錄至關重要。為此，Datta等人做了大量的工作，詳細比較了不同形狀近場換能器的優缺點[34]。研究結果表明，E型天線容易獲得更高的能量耦合效率以及溫度梯度。此外，他們還發現將天線側壁做成楔形可以將熱量匯聚于更小的區域，并且降低在激光加熱瞬間近場換能器達到的峰值溫度，提升近場換能器的壽命。圖14 (a)利用表面等離子體共振效應翻轉納米磁疇[36]；(b)不同組分的 10 nm GdFeCo合金薄膜的全光翻轉相圖(三角形區域代表翻轉區域)[37]
在熱輔助磁記錄中，激光和磁場需要共同作用才能翻轉磁矩，實現信息寫入，因此結構復雜。而事實上，1996年Beaurepaire等人的研究結果表明激光本身就有操控磁矩的潛力[35]，那么我們是否可以利用這一效應實現全光磁記錄？2016年，Liu等人在亞鐵磁合金TbCo薄膜上制備了納米金屬天線作為近場換能器，利用單個飛秒激光脈沖成功翻轉了直徑約30 nm的磁疇，如圖14(a)所示，證實了激光在納米尺度操縱磁矩的可行性[36]。另一方面，上述工作都使用了飛秒超快激光脈沖，因為根據三溫度模型，只有當脈沖寬度極窄(通常小于1 ps)時才能引起有效的磁光耦合，實現磁矩操控。然而，在沒有鎖模等復雜結構輔助的情況下，半導體激光器只能輸出10ps以上的激光脈沖。針對此問題，北京航空航天大學和法國國家科學院拉莫爾研究所聯合探索了脈沖參數對全光磁翻轉的影響[37]。如圖14(b)所示，通過對亞鐵磁合金組分及厚度進行優化后，寬度大于10 ps的激光脈沖仍然可以翻轉磁矩，為未來全光磁記錄指明了方向。隨著全球數據量的飛速增長，能量輔助磁記錄取代傳統磁記錄成為必然的趨勢，那么微波輔助磁記錄和熱輔助磁記錄誰會成為未來主流大容量存儲技術呢？事實上，兩者都有著顯著的優缺點。由于微波輔助磁記錄技術不需要對現有硬盤產線進行大規模改動，因此其成本較低。但是另一方面，如前所述，為了在縮小記錄單元尺寸的同時保證其熱穩定性，廠商不得不選用具有更高磁各向異性的材料作為存儲介質，意味著其本征進動頻率越來越高。因此，自旋納米振蕩器產生的微波磁場也必須有足夠高的頻率，這又依賴于磁頭產生強磁場。所以微波輔助磁記錄技術仍然有很大的局限性。而對于熱輔助磁記錄技術而言，激光脈沖可以大幅度降低寫入信息所需要的翻轉場，因此這種技術徹底擺脫了磁記錄對強翻轉磁場的依賴，理論上可以實現更高的磁記錄密度。然而，熱輔助磁記錄和傳統磁記錄非常不同，結構復雜，生產成本高昂。除此之外，激光脈沖會顯著提升數據記錄過程中盤片的溫度，帶來不穩定的因素。圖15 ASTC發布的硬盤存儲密度發展路線圖[38]
除了能量輔助磁記錄，近年來一些廠商還提出了一些新的存儲方式比如疊瓦式磁記錄、二維磁記錄以及點陣式磁記錄。這些技術手段在復雜程度和實現難度上低于能量輔助磁記錄，可以在一定程度上提升硬盤的存儲密度。而能量輔助磁記錄技術吸引人的地方在于它和這些技術相兼容，有望實現更高的存儲密度。基于這一構想，先進存儲技術聯盟(Advanced Storage Technology Consortium，ASTC)近期發布了硬盤存儲密度路線圖，如圖15所示，HAMR+表示將熱輔助磁計錄(HAMR)和二維存儲技術或疊瓦式磁記錄技術相結合，理論上存儲密度可以達到5 Tb/in2。HDMR表示將HAMR和點陣式磁記錄技術相結合，理論上可以將硬盤存儲面密度提升至10 Tb/in2，將存儲容量提升一個數量級。綜上，為了實現高性能且穩定的數據記錄，多技術融合將是未來大容量存儲器發展的必然趨勢。硬盤存儲密度的上限究竟在哪里？讓我們拭目以待。致 謝 感謝北京航空航天大學冷群文教授和曹凱華助理教授在文章撰寫過程中給予的寶貴意見。
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